Экономика Отрасли (Энергетика) Тема 3. Методы преобразования энергии. 3.1. Схемы преобразования энергии. 3.2. Тепловая схема паротурб

Внутренняя энергия топлива, Q
Тепло
1 2
Механическая энергия
Электроэнергия, W
1 и 2 – прямое преобразование.
КПД: η = W/Q – показывает, какая часть затраченной энергии превратилась в полезную работу.
3.1. Схемы преобразования энергии.

3.2. Тепловая схема паротурбинной энергетической установки.
Q2
W
Q1
Цикл был предложен в 50-х годах 19-го века почти одновременно шотландским инженером и физиком У.Рэнкиным (Rankine, 1820-72) и немецким физиком Р.Клаузиусом (1822-88). Обычно этот цикл называют циклом Рэнкина.

3.2. Тепловая схема паротурбинной энергетической установки.

Функциональная схема термоэлектрической батареи
1 – «горячий» теплопровод; 2, 10 – электроизоляция; 3, 9 – коммутационные шины; 4 – «горячий» спай; 5 – термостолбик n – типа; 6 – термостолбик p – типа; 7 – теплоизоляция; 8 – «холодный» спай; 11 – «холодный» теплопровод.

Термоэмиссионные преобразователи тепла в электричество
3.1. Схемы преобразования энергии.
W
Q1
Q2
электроны

Первый закон термодинамики представляет собой количественное выражение закона сохранения и превращения энергии.
Второй закон термодинамики характеризует качественную сторону процессов преобразования энергии, указывая возможность (или направление) протекания процесса.
dQ= dU+ dA.
dS= dQ/T или dQ= T dS.
A=Q=Q1-Q2
3.3. Законы преобразования
тепла в работу.

3.4. Термодинамический КПД цикла
преобразования тепла в работу. Цикл Карно.
S
TS-диаграмма
Q1
Q2
TМИН
TМАКС
Т
TПОДВ
ТОТВ
A=Q=Q1-Q2

3.4. Термодинамический КПД цикла
преобразования тепла в работу. Цикл Карно.
Если энергия W, отпускаемая потребителю, задана, то чем выше КПД цикла η, тем меньше расходуется топлива (меньше Q1 ) и меньше тепловое загрязнение окружающей среды Q2.

Регенерация тепла в цикле
3.5. Методы повышения КПД
термодинамических циклов.
S
Т
Q1
Q2

3.6. Газотурбинный цикл Брайтона.

3.7. Паротурбинный цикл Рэнкина.
S
Т
К
Вода: ТК= 374 оС,
рК= 225 атм.

Рост КПД сопровождается сильным ростом давления воды.
3.7. Паротурбинный цикл Рэнкина.
η
р
225 атм.
50 атм.
47 %
50 атм.

Когда говорят о «Глобализации экономики», об «Электронном бизнесе» и об «Информационной экономике», то не всегда ясно представляют масштабы технических средств для обеспечения телекоммуникаций. Невозможно представить себе всемирную связь без спутниковых систем ретрансляции, способных десятилетиями работать в космических условиях без вмешательства человека. При потребностях электропитания таких спутников около 100 кВт наиболее перспективны ядерные энергетические установки с компактными реакторами-преобразователями
Космическая энергетика

Космическая ядерная энергетическая установка «ТОПАЗ» (первое поколение, с натрий-калиевым теплоносителем)

В земной энергетике задача повышения КПД продиктована экономией топлива.
В космосе выбор КПД связан с минимизацией массы установки в расчете на единицу мощности. Для мощных установок основной вклад в массу вносит холодильник-излучатель, сбрасывающий избыточное тепло цикла в космос тепловым излучением (другого механизма нет).
Поэтому в космических аппаратах нашли применение методы прямого преобразования энергии: Термоэлектрические, термоэмиссионные, солнечные батареи, топливные элементы.
3.8. Минимальная стоимость
и оптимальный КПД
космической энергоустановки.

Оптимальный КПД для космоса 20-25 %.
3.8. Минимальная стоимость
и оптимальный КПД
космической энергоустановки.

Power system options for specific mission durations.

Космическая ЯЭУ «БУК»
Схема космической ЯЭУ «БУК-ТЭМ» с трубчатыми термоэлектрическими кремний-германиевыми преобразователями нового поколения

Основные технические характеристики
ЯЭУ «БУК» и «БУК-ТЭМ»